CN107856756B - 一种变构型仿生四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变构型仿生四足机器人，属于机器人学、机构学及仿生学等领域。本发明物理机械结构包括4条可变构型单腿结构和本体。每条可变构型单腿结构包含4个自由度，即包括第一髋关节，第二髋关节，大腿关节，小腿关节四个关节。第一髋关节直接与本体连接，其关节转轴垂直于本体平面，与大腿关节、小腿关节组合运动以实现昆虫动物式爬行的行进形态。第二髋关节与第一髋关节连接，其关节转轴平行于本体平面，与大腿关节、小腿关节组合运动以实现哺乳动物式行走的行进形态。本发明兼具能够自由切换的四足哺乳动物式行走和四足昆虫动物式爬行两种行进形态，且结构并不会复杂，从而能够实现更高的功能要求，具有更强的环境适应性。

Description

一种变构型仿生四足机器人

技术领域

本发明属于机器人学、机构学及仿生学等领域，涉及一种变构型仿生四足机器人，具有可自由切换的哺乳动物式和昆虫动物式两种构型。

背景技术

多足步行机器人是现代机器人学领域一个重要分支，其按腿的数目一般可分为双足机器人、四足机器人及六足机器人。相对于轮式机器人和履带机器人，多足步行机器人由于其非连续支撑的特点，具有极强的地形适应性和运动灵活性。相对于双足机器人，四足机器人具有更好的承载能力和稳定性，且比六足机器人结构简单，易于控制。从工程角度，综合研发成本、制作难易度、控制方法和***稳定性等各个方面，四足机器人是最好的足式机器人形式。

而四足机器人按照其机械腿关节布置方式一般可分为仿四足哺乳动物和仿四足昆虫动物两种。仿四足哺乳动物式腿部机构的特点是单腿与本体连接的关节转轴平行于机身平面，机器人行走时腿部收拢于本体下方，通过踢腿向前运动。故其优点是承载能力高、运动灵活性好，缺点是支撑区域小、重心较高，稳定性较差。恰恰相反，仿四足昆虫动物式腿部机构的特点是单腿与本体连接的关节转轴垂直于机身平面，机器人行走时腿部展开于本体两侧，通过摆腿向前运动。故其优点是支撑区域大、重心低，稳定性好，缺点是负载能力低、运动灵活性较差。

发明内容

针对传统的仿四足哺乳动物机器人与仿四足昆虫动物机器人腿部机构特点与功能特性，为提高机器人的环境适应性及满足更高的功能要求，本发明提出一种变构型仿生四足机器人，对每条腿分支机构进行哺乳—昆虫可变构型的特殊设计，以实现二者功能复用。

本发明变构型仿生四足机器人，包括机器人本体与机器人本体周向均布的单腿结构。单腿结构为可变构型单腿结构，具有第一髋关节，第二髋关节，大腿关节与小腿关节。

所述第一髋关节由第一髋关节舵机驱动；第一髋关节舵机固定于本体上，输出轴沿空间z轴方向竖直设置，第一髋关节舵机的输出轴与伸出轴上安装有第一修改髋部；两个第一修改髋部之间同步运转。

所述第二髋关节由第二髋关节舵机驱动；第二髋关节舵机固定于第一髋关节中第一修改髋部上，输出轴沿空间x轴方向设置。第二髋关节舵机的输出轴与伸出轴上安装第二修改髋部，两个第二修改髋部之间同步运转。

所述大腿关节由大腿关节舵机驱动；大腿关节舵机输出轴沿空间y轴设置。大腿关节的输出轴与伸出轴上安装第三修改髋部。通过两个第三修改髋部与第二髋关节舵机中第二修改髋部固定；大腿关节舵机安装于相互平的大腿板上端之间。

所述小腿关节由小腿关节舵机驱动转动；小腿关节舵机输出轴沿空间y轴设置；小腿关节舵机安装于两相互平行的大腿板下端之间；小腿关节舵机的输出轴与伸出轴分别与两个相互平行的小腿板顶部间。

上述小腿关节下端安装有足端结构，同时在两小腿板间安装减震装置。

本发明的优点在于：

1、本发明变构型仿生四足机器人，兼具能够自由切换的四足哺乳动物式行走和四足昆虫动物式爬行两种行进形态。相较于传统的两类机器人，鱼与熊掌兼得，且结构并不会复杂，从而能够实现更高的功能要求，具有更强的环境适应性。

2、本发明变构型仿生四足机器人，单腿结构包含4个自由度，可用做研究串联4自由度单腿机构的四足机器人实验平台，以实现更灵活的运动及更复杂的控制。

3、本发明变构型仿生四足机器人，在小腿底部安装有减震装置，该减震装置能够有效减弱机器人足部触地时产生的运动冲击，提高机器人运动平稳性。

附图说明

图1为本发明变构型仿生四足机器人自由状态整体结构示意图；

图2为本发明变构型仿生四足机器人仿哺乳动物行走形态下整体结构示意图；

图3为本发明变构型仿生四足机器人仿昆虫动物爬行形态下整体结构示意图；

图4为本发明变构型仿生四足机器人本体结构示意图；

图5为本发明变构型仿生四足机器人仿哺乳动物行走形态下单腿结构示意图；

图6为本发明变构型仿生四足机器人仿昆虫动物爬行形态下单腿结构示意图；

图7为本发明变构型仿生四足机器人的可变构型单腿结构中第一髋部关节结构示意图；

图8为本发明变构型仿生四足机器人的可变构型单腿结构中第二髋部结构示意图；

图9为本发明变构型仿生四足机器人的可变构型单腿结构中大腿关节与小腿关节结构示意图；

图10为本发明变构型仿生四足机器人的可变构型单腿结构中足端与减震装置结构示意图。

图中：

1-机器人本体 2-可变构型单腿结构 3-大腿板

4-小腿板 5-减震装置 101-本体下板

102-本体上板 103-档板 201-第一髋关节

202-第二髋关节 203-大腿关节 204-小腿关节

201a-第一髋关节舵机 201b-第一修改髋部A 201c-第一修改髋部B

201d-第一传动连接件 201e-舵机连接件 202a-第二髋关节舵机

202b-第二修改髋部A 202c-第二修改髋部B 202d-第二传动连接件

202e-加强柱 203a-大腿关节舵机 203b-第三修改髋部A

203c-第三修改髋部B 204a-小腿关节舵机 205a-球足

205b-力传感器 205c-力传感器连接件 205d-导向钉

501-减震固定件 502-减震器 503-减震垫圈

504-减震板 505-减震螺母

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明变构型仿生四足机器人的物理机械结构包括机器人本体1与四条可变构型单腿结构2，如图1所示。同时，在物理机械结构的基础上搭建其控制***和传感***，并配置动力元件。

所述机器人本体1包括本体下板101、本体上板102与档板103，如图4所示。其中，本体上板101与本体下板102为等尺寸矩形板，上下对称设置，其周向4条侧边间安装有挡板103，实现本体下板101与本体上板102间的固定，并且本体下板101与本体上板102间周向均布6根立柱，以加强机器人本体1的稳定性。本体1上搭载有机器人各辅助单元，辅助单元可以为控制器组件、摄像头组件或电池组等。

所述4条可变构型单腿结构2分别安装在机器人本体1周向四角处，使4条可变构型单腿结构2在本体1上呈对称布置，可变构型单腿结构2的安装位置与本体1中心连线和本体1对称轴呈45°夹角。可变构型单腿结构2包含四个自由度，由4个舵机驱动，可实现哺乳动物式行走与昆虫动物式爬行两种行进形态间的自由切换，如图2、图3所示。可变构型单腿结构2具有四个关节，分别为第一髋关节201，第二髋关节202，大腿关节203与小腿关节204，如图5、图6所示。下面对各个关节结构进行说明：

a、第一髋关节201与机器人本体1直接连接，由第一髋关节舵机201a驱动转动。如图7所示，第一髋关节舵机201a输出轴沿空间z轴方向竖直设置，第一髋关节舵机201a通过上下布置的两个舵机连接件201e分别与本体1上板102和本体下板101固定。第一髋关节舵机201a的输出轴通过舵盘与第一修改髋部A201b固定。第一髋关节舵机201a的伸出轴端部与第一修改髋部B201c固定，并通过关节端盖和紧固件分别实现密封与紧固。上述第一修改髋部A201b与第一修改髋部B201c之间，通过第一传动连接件201d相连，实现两者间的固定，进而实现第一修改髋部A201b与第一修改髋部B201c间的同步运转。

b、第二髋关节202由第二髋关节舵机202a驱动转动，第二髋关节舵机202a输出轴沿空间x轴方向设置。如图8所示，第二髋关节舵机202a固定于第一髋关节201中第一修改髋部A201b上设计的安装面上，同时在第一修改髋部A201b上设计加强筋稳定结构。第二髋关节舵机202a的输出轴通过舵盘与第二修改髋部A202b固定。第二髋关节舵机202a的伸出轴端部与第二修改髋部B202c固定，并通过关节端盖和紧固件分别实现密封与紧固。上述第二修改髋部A202b与第二修改髋部B202c之间，通过第二传动连接件202d相连，实现两者间的固定，进而实现第二修改髋部A202b与第二修改髋部B202c间的同步运转。为抵抗第二髋关节202中第二关节舵机202a所受翻转力矩，因此在第二髋关节舵机202a的两侧板间周向均匀布置4根加强柱202e，以提高第二髋关节舵机202a的稳固性。

c、大腿关节203由大腿关节舵机203a驱动转动；大腿关节舵机203a输出轴沿空间y轴设置。如图9所示，大腿关节舵机203a的输出轴通过舵盘与第三修改髋部A203b固定。第三关节舵机203a的伸出轴端部与第三修改髋部B203c固定，并通过关节端盖和紧固件分别实现密封与紧固。大腿关节舵机203a通过第三修改髋部A203b、第三修改髋部B203c与第二髋关节舵机202a中第二修改髋部A203b上设计的安装面固定。本发明中考虑可变构型单腿结构2结构的紧凑型以及强度，将第三修改髋部A203b、第三修改髋部B203c采用弯曲板，弯曲板夹角为圆角。

d、小腿关节204由小腿关节舵机204a驱动转动。如图5、图6所示，小腿关节舵机204a输出轴沿空间y轴设置；小腿关节舵机204a固定安装于两相互平行的大腿板3下端之间，相互平行的大腿板3上段固定安装于大腿关节舵机203a两侧。小腿关节舵机204a的输出轴通过舵盘与一侧小腿板4顶部固定。小腿关节舵机204a的伸出轴端部与另一侧小腿板4顶部固定，并通过关节端盖和紧固件分别实现密封与紧固。由于上述大腿关节舵机203a与小腿关节舵机204a均布置在大腿板3上，因此可在两小腿板4间保留较大的空间，以便在小腿处安装各种设备，如减震装置5，从而提高机器人的功能集合度。

如图3所示，上述小腿关节204下端安装有足端结构205。足端结构205包括球足205a、力传感器205b与力传感器连接件205c，如图10所示。其中，力传感器连接件205c为U型结构，两端分别通过导向钉205d与两侧小腿板4下端相接，该导向钉205d位于沿小腿板4上下方向设计的条形孔内，由此使导向钉205d与两侧小腿板4间形成柔性连接，使得在安装减震装置5后，提供减震装置5减震缓冲时所需的位移。力传感器连接件205c底面通过螺纹固定连接三维力传感器205b，三维力传感器205b通过连接件连接橡胶球足205a，并且橡胶球足205a上表面安装有足托片205d以减小橡胶球足205a受力时的变形。

本发明中在小腿处还安装有减震装置5，以提高机器人的运行平稳性；该减震装置5包括减震固定件501与减震器502，如图10所示。其中，减震器502上端通过两侧的减震固定件与两侧小腿板间固定。减震器502下端依次通过减震垫圈503、减震板504、减震螺母505与力传感器连接件205c连接。由此，通过减震装置5实现可变构型单腿结构在运动过程中的减震。

本发明变构型仿生四足机器人，可变构型单腿结构可自由切换为哺乳动物式和昆虫动物式两种构型，进而使四足机器人具有四足哺乳动物式行走和四足昆虫动物式爬行两种行进形态；具体如下：

A、哺乳动物式构型时，第一髋关节舵机201a锁死，通过第二髋关节202a、大腿关节203与小腿关节204间的组合运动以实现哺乳动物式行走的行进状态，如图2、图5所示。

B、昆虫动物式构型时，第二髋关节202a锁死，通过第一髋关节201、大腿关节203与小腿关节204间的组合运动以实现昆虫动物式爬行的行进状态，如图3、图6所示。

Claims (2)

1.一种变构型仿生四足机器人，包括机器人本体与机器人本体周向均布的单腿结构；其特征在于：单腿结构为可变构型单腿结构，具有第一髋关节，第二髋关节，大腿关节与小腿关节；

所述第一髋关节由第一髋关节舵机驱动；第一髋关节舵机固定于本体上，输出轴沿空间z轴方向竖直设置，第一髋关节舵机的输出轴与伸出轴上安装有第一修改髋部A与第一修改髋部B；第一修改髋部A与第一修改髋部B之间，通过第一传动连接件相连；

所述第二髋关节由第二髋关节舵机驱动；第二髋关节舵机固定于第一髋关节中第一修改髋部上，输出轴沿空间x轴方向设置；第二髋关节舵机的输出轴与伸出轴上安装第二修改髋部A与第二修改髋部B之间；第二修改髋部A与第二修改髋部B通过第二传动连接件相连，实现两者间的固定；且第二髋关节舵机的两侧板间周向均匀布置加强柱；

所述大腿关节由大腿关节舵机驱动；大腿关节舵机输出轴沿空间y轴设置；大腿关节的输出轴与伸出轴上安装第三修改髋部A；大腿关节舵机的伸出轴端部与第三修改髋部B固定，并通过大腿关节舵机的输出轴通过舵盘与关节端盖和紧固件分别实现密封与紧固；大腿关节舵机通过第三修改髋部A、第三修改髋部B与第二髋关节舵机中第二修改髋部A上设计的安装面固定；同时设计第三修改髋部A、第三修改髋部B采用弯曲板，弯曲板夹角为圆角；

所述小腿关节由小腿关节舵机驱动转动；小腿关节舵机输出轴沿空间y轴设置；小腿关节舵机安装于两相互平行的大腿板下端之间；相互平行的大腿板上段固定安装于大腿关节舵机两侧；小腿关节舵机的输出轴通过舵盘与一侧小腿板顶部固定；小腿关节舵机的伸出轴端部与另一侧小腿板顶部固定，并通过关节端盖和紧固件分别实现密封与紧固；

上述小腿关节下端安装有足端结构，足端结构包括球足、力传感器与力传感器连接件；其中，力传感器连接件为U型结构，两端分别通过导向钉与两侧小腿板下端相接，该导向钉位于沿小腿板上下方向设计的条形孔内，由此使导向钉与两侧小腿板间形成柔性连接；力传感器连接件底面通过螺纹固定连接三维力传感器，三维力传感器通过连接件连接橡胶球足，并且橡胶球足上表面安装有足托片以减小橡胶球足受力时的变形；

在小腿处还安装有减震装置，减震装置包括减震固定件与减震器；其中，减震器上端通过两侧的减震固定件与两侧小腿板间固定；减震器下端依次通过减震垫圈、减震板、减震螺母与力传感器连接件连接；由此，通过减震装置实现可变构型单腿结构在运动过程中的减震；

哺乳动物式构型时，第一髋关节舵机锁死，通过第二髋关节、大腿关节与小腿关节间的组合运动以实现哺乳动物式行走的行进状态；

昆虫动物式构型时，第二髋关节锁死，通过第一髋关节、大腿关节与小腿关节间的组合运动以实现昆虫动物式爬行的行进状态。

2.如权利要求1所述一种变构型仿生四足机器人，其特征在于：机器人本体采用上下双层设计，周向预留单腿结构安装位置，周向其余位置安装挡板；同时上下两层间周向均布立柱。

Images